Поведение полос и плоских поясов Мора в науке и квантовой физике под названием «Магический угол» скрученного двухслойного графена (TBLG) привлекло большой интерес ученых, хотя многие свойства вызывают жаркие споры. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Progress, Эмилио Колледо и ученые из Департамента физики и материаловедения в США и Японии наблюдали сверхпроводимость и аналогию в скрученном двухслойном графене. Состояние изолятора Мотта имеет угол закручивания около 0,93 градуса. Этот угол на 15% меньше угла «магического угла» (1,1°), рассчитанного в предыдущем исследовании. Это исследование показывает, что диапазон «магического угла» скрученного двухслойного графена больше, чем ожидалось ранее.
Это исследование предоставляет массу новой информации для расшифровки сильных квантовых явлений в скрученном двухслойном графене для приложений в квантовой физике. Физики определяют «Твистроникс» как относительный угол скручивания между соседними слоями Ван-дер-Ваальса, приводящий к образованию муара и плоских полос в графене. Эта концепция стала новым и уникальным методом значительного изменения и настройки свойств устройств на основе двумерных материалов для достижения протекания тока. Замечательный эффект «Твистроникса» был продемонстрирован в новаторской работе исследователей, продемонстрировавших, что, когда два однослойных слоя графена укладываются под «магическим углом» скручивания θ=1,1±0,1°, появляется очень плоская полоса. .
В данной работе в скрученном бислойном графене (ТБЛГ) изолирующая фаза первой микрополоски (структурной особенности) сверхрешетки под «магическим углом» была полузаполнена. Исследовательская группа определила, что это изолятор Мотта (изолятор со сверхпроводящими свойствами), который проявляет сверхпроводимость при несколько более высоких и более низких уровнях легирования. Фазовая диаграмма показывает высокотемпературный сверхпроводник между температурой сверхпроводящего перехода (Tc) и температурой Ферми (Tf). Это исследование вызвало большой интерес и теоретические дебаты по зонной структуре графена, топологии и дополнительным полупроводниковым системам с «магическим углом». По сравнению с первоначальным теоретическим отчетом, экспериментальные исследования редки и только начались. В этом исследовании команда провела измерения передачи на «магическом угле» скрученного двухслойного графена, показывающего соответствующие изолирующие и сверхпроводящие состояния.
Неожиданно искаженный угол 0,93 ± 0,01, что на 15% меньше установленного «магического угла», также является наименьшим из зарегистрированных на сегодняшний день и демонстрирует сверхпроводящие свойства. Эти результаты показывают, что новое состояние корреляции может появиться в скрученном двухслойном графене «Магический угол», который находится ниже первичного «магического угла», за пределами первой микрополоски графена. Чтобы создать эти «волшебные рога» из скрученного двухслойного графена, команда использовала подход «разорвать и складывать». Структура между слоями гексагонального нитрида бора (BN) инкапсулирована; имеет геометрию стержня Холла с несколькими проводами, соединенными с краевыми контактами Cr/Au (хром/золото). Все устройство из скрученного двухслойного графена «Волшебный угол» было изготовлено поверх графенового слоя, используемого в качестве заднего затвора.
Ученые используют стандартные методы блокировки постоянного тока (DC) и переменного тока (AC) для измерения устройств в криостатах HE4 и HE3 с накачкой. Команда зафиксировала взаимосвязь между продольным сопротивлением устройства (Rxx) и расширенным диапазоном напряжения затвора (VG) и рассчитала магнитное поле B при температуре 1,7 К. Было обнаружено, что малая электронно-дырочная асимметрия является неотъемлемым свойством устройства из скрученного двухслойного графена «Магический угол». Как отмечалось в предыдущих отчетах, команда записала эти результаты и подробно описала отчеты, которые до сих пор были сверхпроводящими. Характеристика «Магический угол» скручивает минимальный угол скручивания двухслойного графенового устройства. При более внимательном изучении веерной диаграммы Ландау исследователи обнаружили некоторые примечательные особенности.
Например, пик при половинном заполнении и двукратное вырождение уровня Ландау согласуются с ранее наблюдавшимися моментными состояниями изоляции. Команда показала нарушение симметрии приблизительной спиновой долины SU(4) и образование новой квазичастичной поверхности Ферми. Однако детали требуют более детального рассмотрения. Также наблюдалось появление сверхпроводимости, что увеличивало Rxx (продольное сопротивление), как и в предыдущих исследованиях. Затем команда исследовала критическую температуру (Tc) сверхпроводящей фазы. Поскольку данных об оптимальном легировании сверхпроводников в этом образце получено не было, ученые предположили критическую температуру до 0,5К. Однако эти устройства становятся неэффективными до тех пор, пока они не смогут получить четкие данные из сверхпроводящего состояния. Для дальнейшего изучения сверхпроводящего состояния исследователи измерили четырехполюсные вольт-амперные характеристики (VI) устройства при различных плотностях носителей.
Полученное сопротивление показывает, что сверхток наблюдается в большем диапазоне плотностей, и показывает подавление сверхтока при приложении параллельного магнитного поля. Чтобы получить представление о поведении, наблюдаемом в исследовании, исследователи рассчитали структуру зон Мойара устройства из скрученного двухслойного графена «Magic Angle», используя модель Бистрицера-Макдональда и улучшенные параметры. По сравнению с предыдущим расчетом угла «Магического угла», рассчитанная полоса муара низкой энергии не изолирована от полосы высокой энергии. Хотя угол закручивания устройства меньше угла «магического угла», рассчитанного в другом месте, в устройстве наблюдается явление, тесно связанное с предыдущими исследованиями (изоляция Морта и сверхпроводимость), которое физики сочли неожиданным и осуществимым.
После дальнейшей оценки поведения при больших плотностях (количестве состояний, доступных для каждой энергии), наблюдаемые учёными характеристики относятся к вновь возникающим связанным изоляционным состояниям. В будущем будет проведено более детальное исследование плотности состояний (DOS), чтобы понять нечетное состояние изоляции и определить, можно ли их классифицировать как квантовые спиновые жидкости. Таким образом, ученые наблюдали сверхпроводимость вблизи Mox-подобного изолирующего состояния в устройстве из скрученного двухслойного графена с небольшим углом закручивания (0,93°). Данное исследование показывает, что даже при таких малых углах и высоких плотностях влияние электронной корреляции на свойства муара одинаково. В будущем будут изучены спиновые долины изолирующей фазы, а также новая сверхпроводящая фаза при более низкой температуре. Экспериментальные исследования будут сочетаться с теоретическими попытками понять причину такого поведения.
Время публикации: 08 октября 2019 г.